Fatigability induce by muscular exercise : physiopathological exploration

Fatigabilité à l'exercice musculaire : exploration physio-pathologique

Nicolas Decorte (1)

1 HP2 - Hypoxie : Physiopathologie Respiratoire et Cardiovasculaire

Research on muscular fatigue has updated the involvement of various alterations throughout the chain from the brain to the muscles. Nevertheless the mechanisms of central and peripheral regulation set into play at exercise still stimulate discussion today. This thesis aimed to assess with original approach, the fatigue induce by muscular exercise and try to have a better understanding of mechanisms underlying, specific to different physiological or clinical situations. We conducted this project in different stages: i) by taking care first to validate our assessment tool, magnetic nerve stimulation, in comparison to measurements obtained by electrical stimulation typically used to assess muscle function, ii) and then by evaluating the kinetic of fatigue development during constant load exercise, this kinetic being much less studied in the litterature than the fatigue at exhaustion, iii) finally we used our tools for neuromuscular assessment in clinical research, first in order to evaluate the possible effects of drug treatments (inhaled ß2-agonists) on muscle fatigue and second by studying the effects of muscle training program in patients with cystic fibrosis with severe pulmonary dysfunction. We validated the use of magnetic stimulation in the evaluation of the function and fatigue of the quadriceps. We were also able to describe the kinetics of fatigue development of the quadriceps during a constant load exercise on a bicycle ergometer and we demonstrated that peripheral fatigue, particularly lowfrequency fatigue, appeared early during exercise, mainly in the first half of total exercise duration, while indices of central fatigue were observed towards the end of exercise, close to exhaustion. We have not shown any ergogenic effect of acute inhalation of ß2-agonists, neither any effect on neuromuscular fatigue development at both peripheral and central levels. The ongoing clinical study for which we conducted an intermediate analysis to reveal the effects of electrical stimulation in patients with cystic fibrosis allowed us to measure the benefits obtained in terms of quadriceps strength and muscle hypertrophy that were however not transcribed in terms of improving lung function or exercise tolerance. To conclude, this thesis has updated on the one hand the factors to consider in fatigue assessment. The results showed the importance of considering the kinetics of fatigue development during exercise and not only the consequences visible at exhaustion. On the other hand, this work helped to validate magnetic stimulation, its limitations and potential applications in the exploration of physiological fatigue in clinical research and early diagnosis of neuromuscular disorders.

Les recherches sur la fatigue musculaire ont permis de mettre à jour l'implication de différentes altérations tout au long de la chaîne de commande motrice allant du cerveau jusqu'au muscle. Pourtant les mécanismes de régulation centraux et périphériques mis en jeu à l'exercice continuent de faire débat aujourd'hui. Ce travail de thèse a comme objectif d'évaluer de façon originale la fatigue à l'exercice musculaire et de chercher à mieux cerner les mécanismes sous-jacents propres à différentes situations physiologiques ou cliniques. Ce projet a été mené en plusieurs étapes : i) en prenant soin de valider tout d'abord notre outil d'évaluation la stimulation magnétique, en la comparant aux mesures obtenues par stimulation électrique classiquement utilisée pour l'évaluation de la fonction musculaire, ii) puis en évaluant de manière originale la cinétique de développement de la fatigue au cours d'un test à charge constante, cinétique beaucoup moins étudiée dans la littérature que la simple fatigue de fin d'effort, iii) enfin en s'intéressant aux applications cliniques de cet outil en recherchant d'une part les effets possibles de traitements médicamenteux sur la fatigabilité musculaire et d'autre part en étudiant les effets musculaires d'un programme de réentraînement chez des patients mucoviscidosiques. Nous avons ainsi confirmé la validité de l'utilisation de la stimulation magnétique dans l'évaluation de la fonction et de la fatigue neuromusculaires du quadriceps. Nous avons également pu décrire la cinétique de développement de la fatigue du quadriceps au cours d'un effort à charge constante sur ergocycle et démontrer le fait que la fatigue périphérique, plus particulièrement de basse fréquence, apparaissait tôt dès le début de l'exercice et pour l'essentiel dans la première moitié du temps d'exercice, alors que les indices de la fatigue centrale se révélaient en fin d'effort, proche de l'épuisement. Nous n'avons pas démontré d'effets ergogènes provoqués par l'inhalation aigue de ß2-mimétiques, ni d'effet sur le développement de la fatigue neuromusculaire, tant au niveau périphérique que central. L'étude clinique en cours pour laquelle nous avons réalisé une analyse intermédiaire visant à révéler les effets d'un programme d'électrostimulation sur le réentraînement à l'effort chez des patients mucoviscidosiques présentant une dysfonction pulmonaire sévère nous a permis de mesurer des bénéfices obtenus en terme de gain fonctionnel (force au niveau du quadriceps, hypertrophie musculaire) qui ne sont pourtant pas retranscrits en terme d'amélioration de la fonction respiratoire ou de la tolérance à l'effort. Pour conclure, ce travail de thèse a permis de mettre à jour les facteurs déterminants à prendre en compte dans l'évaluation de la fatigue. Les résultats obtenus montrent ainsi l'importance de considérer la cinétique de développement de la fatigue au cours de l'exercice et pas seulement les conséquences visibles à épuisement. D'autre part, ce travail a permis de prouver la validité de la stimulation magnétique, ses limites et les applications possibles au niveau de l'exploration physiologique de la fatigue dans la recherche clinique et le diagnostic précoce de certaines pathologies neuromusculaires.

Mots clés: Fatigue; muscle; exercice; salbutamol; performance; stimulation magnétique

Mots clés: exercise; magnetic stimulation

Domaines: Physiologie [q-bio.TO]

Nicolas Decorte. Fatigabilité à l'exercice musculaire : exploration physio-pathologique. Physiologie [q-bio.TO]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00534260⟩